Mecanizado suizo de tornillos y anclajes para huesos

Obtención de características precisas y complejas para aplicaciones ortopédicas y dentales

En comparación con muchos otros dispositivos médicos, los tornillos para huesos tienen una estructura aparentemente simple:un cilindro roscado con una cabeza en un extremo y una punta en el otro. Sin embargo, puede haber una cantidad sorprendente de complejidad en el diseño de los tornillos óseos (también llamados anclajes).

Es por eso que el mecanizado CNC de precisión de estilo suizo juega un papel importante en la realización de los diseños que brindan a los tornillos óseos las características y la funcionalidad adecuadas para sus usos finales.

Estructura básica de los tornillos óseos

Al igual que el tornillo para madera común con el que la mayoría de la gente está familiarizada, la estructura de un tornillo para huesos tiene ciertas características básicas:

• La cabeza del tornillo es la superficie superior aplanada que ayuda en la inserción del tornillo.
• El consejo es el otro extremo del tornillo, opuesto a la cabeza.
• La longitud del eje (o cuerpo) de un tornillo se mide desde la cabeza hasta la punta.
• El tono de un tornillo es la distancia recorrida por el tornillo con cada giro de 360º.
• El diámetro mayor de un tornillo es el grosor total del tornillo desde un pico de la rosca hasta el otro pico en el lado opuesto.
• El diámetro menor es el espesor de un tornillo sin incluir las roscas. Es importante saber esto porque el orificio piloto en el que se insertará un tornillo debe tener el mismo tamaño que el diámetro menor.

Por qué se utilizan tornillos óseos

La función principal de un tornillo óseo es ayudar a reparar las fracturas óseas. Por lo general, el tornillo convierte la fuerza del movimiento óseo en compresión que mantiene el hueso en su lugar para que pueda sanar más rápidamente.

El uso de tornillos óseos se remonta a principios del siglo XX. Fue entonces cuando el cirujano William O'Neill Sherman fue pionero en la fijación de fracturas óseas con placas y tornillos convencionales que modificó para unirlos al hueso.

Hoy en día, los tornillos óseos se utilizan en una amplia gama de aplicaciones ortopédicas y de ortodoncia. Los tornillos ortopédicos se utilizan principalmente para la fijación de huesos o para ayudar a unir tejidos blandos (como los tendones) al hueso. En odontología, los tornillos óseos generalmente sirven como anclajes sobre los cuales se sujeta otra cosa, como un diente de reemplazo.

Como era de esperar, los tornillos óseos modernos son más precisos y especializados que la versión de Doc Sherman. Como era de esperar, el mecanizado CNC Swiss es el método que se utiliza a menudo para producir características precisas que mejoran el método de fijación del tornillo o la capacidad de adherirse al hueso u otro tejido.

Huesos diferentes, tornillos diferentes

En un estudio que comparó la resistencia de cuatro tornillos óseos disponibles en el mercado con diferentes pasos, el poder de sujeción de los tornillos se correlacionó con la densidad del hueso, el diseño de las roscas y la cantidad de roscas que encajan en el hueso. Dado que los diferentes tipos de huesos tienen diferentes densidades, tiene sentido que el tipo de hueso tenga un impacto en el diseño del tornillo.

Hueso cortical (o compacto) Constituye la capa exterior dura y densa de los huesos que proporciona al cuerpo humano una estructura de soporte y ayuda a proteger los órganos internos. Estos huesos lisos, blancos y de aspecto sólido constituyen aproximadamente el 80 % de la masa corporal de un adulto.

Hueso esponjoso (también conocido como hueso esponjoso) forma la red de tejido interno de los huesos humanos y generalmente se encuentra en la punta de otros huesos, cerca de las articulaciones y dentro de las vértebras. El hueso esponjoso es menos denso, algo más blando y más flexible que el hueso cortical.

En consecuencia, el mecanizado CNC Swiss se puede usar para fabricar tornillos que varían en rosca, paso y otras características según el tipo de hueso en el que se usarán:

• Tornillos corticales (también llamados tornillos de cortical) están diseñados para sujetarse firmemente y proporcionar la máxima estabilidad cuando se insertan en el hueso cortical. Estos tornillos fuertes tienen un paso pequeño, con roscas poco profundas y poco espaciadas a lo largo de toda la longitud, y generalmente tienen un extremo romo. Los tornillos corticales normalmente vienen en longitudes de 0,059" (1,5 mm) a 0,177" (4,5 mm).

• Tornillos para esponjosa , que están diseñados para la fijación de hueso esponjoso, son más largos y tienen un paso mayor que los tornillos corticales. Las roscas de los tornillos esponjosos se cortan más profundamente y se espacian más ampliamente, y el eje se puede roscar completamente o solo parcialmente. Los tornillos generalmente vienen en longitudes de 3,5 mm (0,138") a 6,5 ​​mm (0,256").

Otras variables en el diseño de tornillos óseos

Además de las variaciones en la rosca y el paso, los tornillos para huesos pueden tener orificios, escalones, ranuras y otras características producidas gracias a las capacidades de precisión del mecanizado CNC Swiss. Por ejemplo, se pueden crear diferentes tipos de cabezas de tornillos para huesos para satisfacer necesidades específicas:

• Los tornillos para anclar los dientes pueden tener una cabeza cónica sobre la que se puede presionar un diente de reemplazo.
• Se puede usar una cabeza de tornillo roscada para bloquear el tornillo óseo y su accesorio (como una placa) en su lugar, para una mayor estabilidad.
• Comúnmente se utiliza una cabeza de tornillo hexagonal para permitir el uso de un destornillador para la inserción.

Los tornillos óseos mecanizados en Suiza también pueden aprovechar los diferentes diseños de punta que admiten diferentes técnicas de inserción de tornillos:

• Tornillos de rosca tienen una punta redonda y suave que se inserta haciendo un orificio piloto y roscando hilos dentro del orificio.
• Tornillos autorroscantes tener ranuras de corte para que el tornillo golpee sus propias roscas una vez que se inserta en un orificio piloto. Por ejemplo, dado que el hueso esponjoso es mucho menos denso que el hueso cortical, un tornillo para esponjosa es autorroscante, es decir, corta su camino en el hueso a medida que se inserta el tornillo.
• Tornillos autoperforantes se puede insertar tal cual, sin necesidad de orificio piloto ni otra preparación. El tornillo crea su propio orificio piloto y también es autorroscante.

Ventajas únicas del diseño de tornillos

Las empresas de dispositivos médicos también pueden presentar sus propias variaciones de diseño de tornillos óseos para crear algo único que los diferencie y proporcione una ventaja competitiva.

Además de ser un beneficio para el fabricante de anclajes, un diseño propietario patentable crea oportunidades y desafíos para el mecanizado CNC de estilo suizo para hacer lo que puede ser un diseño muy complejo. Por ejemplo, las formas más complicadas son un ejemplo perfecto de cómo la técnica de segmentación en el mecanizado suizo permite que el taller de máquinas más sofisticado satisfaga las necesidades de diseño complejo del cliente.

Otro principio rector, el diseño de dispositivos médicos con una construcción de una sola pieza, a menudo puede hacer que una pieza sea más compleja desde el punto de vista del mecanizado. A la altura de este desafío, el mecanizado suizo puede ayudar a los fabricantes a lograr diseños de un solo componente que minimicen el riesgo de que un dispositivo se rompa o que algo salga mal debido a la falla de una de varias partes.

Además, se pueden agregar diferentes modificaciones de superficie (ver a continuación) a los tornillos para huesos, después del mecanizado, para tener un impacto positivo en el crecimiento y la adhesión del hueso, lo que diferencia aún más un diseño de anclaje particular de las opciones de otros fabricantes

Consideraciones de materiales específicos para tornillos óseos

Los tornillos y anclajes óseos para uso ortopédico y dental se fabrican con aleaciones metálicas desde hace más de un siglo. Eso significa que ha habido mucho tiempo para aprender qué materiales ofrecen la combinación correcta de alta resistencia, resistencia a la corrosión y biocompatibilidad.

Los fabricantes de hoy en día generalmente eligen materiales de grado de implante que cumplen con las especificaciones de la Sociedad Estadounidense de Pruebas y Materiales (ASTM) o ISO. En consecuencia, la fabricación de tornillos para huesos con las características y la funcionalidad correctas requiere la capacidad de mecanizar en Suiza una amplia gama de materiales diferentes, y cada material tiene sus propias características únicas.

Si bien el acero inoxidable es popular en dispositivos médicos y se puede usar para tornillos óseos, en las últimas décadas se ha visto un aumento en el uso de titanio y una variedad de metales especiales elegidos por sus características y ventajas únicas.

Por ejemplo, titanio - que está disponible en versiones puras y aleados - se usa a menudo cuando el objetivo es un peso ligero y alta resistencia o cuando un dispositivo necesita acoplarse o conectarse a otro componente de titanio. Los tornillos de titanio se utilizan con frecuencia en el tratamiento de fracturas mandibulares.

La aleación de titanio Ti-6Al-4V ELI (intersticiales extra bajos de titanio-6aluminio-4vanadio) es liviano, resistente a la corrosión, fuerte y biocompatible. Los estrictos controles durante el proceso de fusión dan como resultado un material con mayor ductilidad y resistencia, lo que hace que el titanio ELI sea una opción popular y duradera para tornillos óseos y otros dispositivos médicos.

Nitinol (NiTi) a veces se elige por su capacidad para soportar una gran cantidad de estrés sin deformarse. Eso significa que se puede usar para aplicaciones en las que el tornillo óseo u otro dispositivo debe estirarse y cambiar ligeramente sin tener que colocarlo permanentemente.

Otros materiales de alta resistencia y biocompatibles que a menudo se usan indistintamente en el mecanizado suizo de tornillos y anclajes óseos incluyen:

• MP35N ^® y el similar 35N LT ^® (bajo contenido de titanio), que es una fusión de MP35N con la cantidad mínima de titanio eliminada, lo que le otorga una mejor vida útil frente a la fatiga
• L605
• 316LVM
• Elgiloy ^® , Conichrome ^® , y otras aleaciones especificadas por ASTM F1058 e ISO 5832-7

Tratamiento de superficie para promover la osteointegración

El acabado superficial es un tema muy importante aquí en Metal Cutting. Para los tornillos para huesos y el mecanizado suizo, el tratamiento de superficies es un tema único.

Si bien algunos tornillos óseos son temporales y, por lo tanto, eventualmente se retiran, la mayoría se colocan para quedarse. Resulta que el acabado de la superficie de un tornillo tiene mucho que ver con la promoción del crecimiento óseo para que el tornillo quede firmemente incrustado y el hueso crezca a su alrededor.

Mientras los científicos continúan trabajando en el desarrollo de recubrimientos especiales que se pueden aplicar para promover la osteointegración (lea un ejemplo), los fabricantes de tornillos han descubierto que los acabados más rugosos y otros tipos diferentes de superficies pueden ayudar a promover el crecimiento óseo.

La invención de la sinterización directa por láser (también conocida como impresión 3D de metales) está permitiendo alcanzar niveles de porosidad antes inalcanzables, yendo más allá de un acabado superficial rugoso y promoviendo la osteointegración. Es por eso que la fabricación en 3D puede muy bien ser el futuro de los tornillos óseos y muchas otras aplicaciones de dispositivos médicos.

Sin embargo, la mayoría de los materiales utilizados para fabricar tornillos óseos ortopédicos y anclajes dentales no se pueden tratar térmicamente. En su lugar, obtienen su fuerza del trabajo en frío, que es algo que no se puede hacer con la impresión de metal en 3D.

Eso significa que todavía ¡Tiene que comenzar con una varilla o alambre mecanizado en Suiza antes de la sinterización por láser!

¿Mecanizado suizo frente a impresión láser 3D para tornillos óseos?

Si bien las impresoras 3D de metal dirán que pueden hacer cualquier cosa, el trabajo en frío es uno de los desafíos que deben superar antes de que todas las aplicaciones para tornillos óseos puedan imprimirse en 3D. Hasta entonces, el mecanizado de estilo suizo tiene la ventaja de comenzar con material de trabajo en frío como material en barra.

La magia de la impresión 3D es que, como proceso aditivo, puede producir vacíos, algo que, en aras de la ligereza y la porosidad, es una ventaja que el mecanizado suizo no puede igualar. Sin embargo, para roscas, agujeros, escalones y otras características que pueden ser cruciales para la función de un tornillo, los procesos aditivos y sustractivos producen el mismo resultado final dimensional.

Para obtener más información sobre los atributos y las ventajas del torneado CNC estilo suizo para su dispositivos médicos u otras aplicaciones, descargue nuestra guía gratuita Preguntas frecuentes sobre Swiss Machine .